Układ okresowy pierwiastków Myślenie bez intuicji jest puste, intuicja bez myślenia jest ślepa. Albert Einstein
Spis treści Ważne pojęcia Trochę historii O ilu pierwiastkach wiemy Wygląd współczesnego układu okresowego Oznaczenia w układzie okresowym Zmiany właściwości pierwiastków w układzie okresowym Charakterystyka poszczególnych grup głównych Przykłady
WAŻNE POJĘCIA Atomowa jednostka masy [u] Atomowa jednostka masy [u] to 1/12 masy atomu izotopu węgla 12 C Izotopy Atomy posiadające tę samą liczbę atomową (liczbę protonów w jądrze), ale różną liczbę neutronów Liczba atomowa ( Z ) (liczba porządkowa) Określa, ile protonów znajduje się w jądrze danego atomu. Jest także równa liczbie elektronów niezjonizowanego atomu.
Masa atomowa [M A ] Liczba określająca ile razy masa jednego reprezentatywnego atomu danego pierwiastka chemicznego jest większa od 1/12 masy atomu izotopu 12 C, przy czym pod pojęciem reprezentatywnego atomu rozumie się atom o średniej masie wyliczonej proporcjonalnie ze wszystkich stabilnych izotopów danego pierwiastka, ze względu na ich występowanie na Ziemi. Powłoka walencyjna Ostatnia, najdalej odsunięta od jądra powłoka elektronowa atomu. Elektrony na niej są najsłabiej związane z atomem i mogą uczestniczyć w tworzeniu wiązań chemicznych. W przypadku elektronów znajdujących się niżej zazwyczaj nie jest to możliwe, choć są od tego liczne wyjątki.
Liczba masowa (A) to wartość opisująca liczbę nukleonów (czyli protonów i neutronów) w jądrze (w nuklidzie) danego izotopu atomu danego pierwiastka. Liczby masowej nie należy mylić z masą atomową pierwiastka, która wyznaczana jest metodami chemicznymi, ani też z masą pojedynczego izotopu. Nierówności te spowodowane są: - istnieniem izotopów, - defektem masy jądra, - dodatkowym udziałem elektronów w masie atomowej. Atomy mające tę samą liczbę masową, ale różną liczbę protonów, nazywa się izobarami. Oczywiście są to atomy różnych pierwiastków
Przykłady: wodór 1 H, 2 H, 3 H uran 232 U, 233 U, 234 U, 235 U, 236 U, 238 U Obliczanie ilości neutronów w jądrze Izotop 64 Ni mający liczbę atomową 28. Chcąc obliczyć liczbę neutronów, należy odjąć ilość protonów w jądrze (liczbę atomową) od liczby masowej (w tym przypadku 64). Liczba neutronów w izotopie 64 Ni wynosi 36.
TROCHĘ HISTORII Prawo triad pierwiastków chemicznych (ok. 1817 r.) Zostało sformułowane przez J. W. Doebereinera. Zauważył on, że w kilku grupach zawierających po trzy pierwiastki, np.: wapń, stront, bar lub chlor, brom, jod, właściwości fizyczne i chemiczne są podobne i zmieniają się regularnie ze wzrostem masy atomowej.
Prawo oktaw (1864r.) Angielski chemik John A.Newlands, układał szeregi pierwiastków według wzrastającej masy atomowej i zauważył, że co ósmy pierwiastek jest rodzajem powtórzenia tak, jak co ósma nuta jest powtórzeniem oktawy w muzyce. Tablica ułożona przez Newlandsa wykazywała jednak niekonsekwencje, wynikające po części z niekompletności listy pierwiastków oraz z błędów w wyznaczaniu ich mas atomowych.
Następnym uczonym zmagającym się z problemem systematyzacji pierwiastków był francuski geolog Alexandre E. Beguyer de Chancourtois. On również zestawił znane pierwiastki według ich mas atomowych i przedstawił je na cylindrycznych wykresach. Podobne pierwiastki ułożyły się w kolumnach pionowych. Publikując swoją teorię nie podał on wykresów co spowodowało, że doniesienie to nie zostało dostrzeżone przez współczesnych badaczy. W 1870 rosyjski uczony Dymitrij Mendelejew opracował prawo okresowości, którego wyrazem był układ okresowy (zwany Tablicą Mendelejewa)
D.I. Mendelejew zastosował następujące założenia opracowanej przez siebie klasyfikacji pierwiastków; Pierwiastki uszeregowane zgodnie ze wzrastającą masą atomową wykazują powtarzalność (periodyczność) swoich właściwości (prawo okresowości). W tabeli układu okresowego przewidziane były miejsca dla prawdopodobnie istniejących, a nie odkrytych jeszcze pierwiastków. Medelejew opisał ich właściwości. W kilku miejscach układu przestawiono kolejność pierwiastków, uznając podobieństwo właściwości pierwiastków w tej samej grupie za ważniejsze od ich wzrastającej masy atomowej. Puste miejsca pozostawione były dla odkrytych później; skandu (Sc), galu (Ga), germanu (Ge), itru (Y), technetu (Tc), indu (In), ceru (Ce) i renu (Re).
Pasjans Mendelejewa Mendelejew dokonał swego odkrycia usiłując po raz kolejny ułożyć pasjansa" kartami, na których wypisał masy atomowe i inne właściwości znanych wówczas 63 pierwiastków. Zdobył się on przy tym na śmiały krok, ogłaszając, że psujące schemat trzy nieregularności znikną, jeśli w istniejącym układzie pierwiastków pozostawi się trzy wolne miejsca w których powinny znaleźć się nie odkryte jeszcze pierwiastki. Tak więc, Mendelejew nie tylko dokonał systematyzacji znanych w jego czasach pierwiastków chemicznych, ale także przewidział odkrycie kolejnych - a co więcej, przewidział ich właściwości fizyczne i chemiczne.
O ilu pierwiastkach wiemy teraz? Do 2008 r. udowodniono istnienie 117 pierwiastków chemicznych Pierwiastki o liczbach atomowych od 1 do 111 zostały oficjalnie uznane przez Międzynarodową Unię Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) i nadano im oficjalne nazwy oraz skróty. Na temat istnienia pierwiastków o liczbach atomowych 112, 113, 114, 115, 116 i 118 istnieją spory naukowe i dlatego jak dotąd nie mają one oficjalnych nazw i skrótów. Pierwiastek 117 jak dotąd nie został otrzymany.
Oprócz nazw pierwiastków uznanych oficjalnie przez IUPAC w obiegu są też nazwy nieoficjalne. Dotyczy to głównie pierwiastków otrzymanych sztucznie przy pomocy technik rozwiniętych przez fizykę jądrową. Naturalnie na Ziemi występują 92 pierwiastki. Pozostałe zostały otrzymane sztucznie. Pierwiastki o liczbie atomowej powyżej 82 są niestabilne. Ulegają rozpadowi promieniotwórczemu w zauważalnym eksperymentalnie tempie. Oprócz tego niestabilne są także pierwiastki 43 (technet) i 61 (promet), które zostały otrzymane sztucznie. Wszystkie pierwiastki o liczbie atomowej powyżej 94 nie występują naturalnie.
Współczesny układ okresowy Współczesny układ okresowy zbudowany jest: - z kolumn pionowych, zwanych grupami ( 18 grup) ( 8 głównych IA VIII A ( 0) ) - szeregów poziomych, tzw. okresów ( 7 okresów) Najnowsze zalecenia Komisji Nomenklatury IUPAC każą numerować grupy kolejnymi liczbami arabskimi od 1 do 18. Nazwę grupy tworzy się od nazwy pierwiastka, który znajduje się na początku grupy (pierwsza grupa przyjmuje swoją nazwę od litu, a nie od wodoru i zwana jest litowcami, druga grupa to berylowce itd.).
Pierwiastki uszeregowane są według wzrastających liczb atomowych (Z) Każdy następny od poprzedniego różni się o jeden proton w jądrze atomu Pierwiastki danej grupy stanowią niejako wspólną rodzinę, bowiem posiadają podobne właściwości fizyczne i chemiczne Numer okresu, w którym leży dany pierwiastek odpowiada liczbie powłok elektronowych w jego atomie. W atomach pierwiastków grup głównych liczba elektronów na ostatniej powłoce jest równa liczbie jedności w numerze grupy Atomy pierwiastków grup pobocznych, czyli od 3 do 12, mają na ostatniej powłoce 1 lub 2 elektrony
Lantanowce Aktynowce
Oznaczenia w układzie okresowym Symbol pierwiastka Z A M Liczba atomowa Masa atomowa Numery wierszy od 1 7 określają numer okresu Numery kolumn od 1 18 określają numer grupy
Grupy główne 1 2 13 14 15 16 17 18 IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIII A Grupy poboczne 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 IIIB IVB VB VIB VIIB VIIIB VIIIB VIIIB IB IIB
Zmiany właściwości pierwiastków i ich związków w układzie okresowym Wzrost właściwości kwasowych Wzrost właściwości zasadowych
Charakterystyka poszczególnych grup głównych LITOWCE Do pierwszej grupy układu okresowego, tzw. litowców, zaliczane są następujące pierwiastki: lit (Li), sód (Na), potas (K), rubid (Rb), cez (Cs) oraz nietrwały promieniotwórczy frans (Fr). Litowce występują w przyrodzie jedynie w stanie związanym. Wszystkie litowce są metalami. Sód i potas są dość powszechnymi składnikami litosfery, ale ze względu na dużą reaktywność chemiczną pierwiastki tej grupy nie występują w przyrodzie w stanie wolnym lecz wyłącznie w postaci związków najczęściej jako chlorki, siarczany, węglany, rzadziej azotany i fosforany W związkach wykazują zawsze wartościowość 1 równą numerowi grupy IA
BERYLOWCE Do metali drugiej grupy układu okresowego berylowców należą: beryl (Be), magnez (Mg), wapń (Ca), stront (Sr), bar (Ba) i promieniotwórczy rad (Ra). Metale grupy IIA spotykane są w przyrodzie wyłącznie w związkach, w których są dwuwartościowe BOROWCE Do grupy borowców zalicza się następujące pierwiastki: glin (Al), gal (Ga), ind (In), tal (Tl). Do grupy 13 należy również bor, który jest niemetalem, a ściślej mówiąc półmetalem W przyrodzie w stanie wolnym nie występują. Max wartościowość wynosi 3
WĘGLOWCE Do pierwiastków czternastej grupy układu okresowego należą: węgiel (C), krzem (Si), german (Ge), cyna (Sn), ołów (Pb). Wszystkie węglowce mogą tworzyć wiązania kowalencyjne. W grupie ze wzrostem masy atomowej zmienia się charakter pierwiastków. Węgiel jest typowym niemetalem, natomiast cyna i ołów są typowymi metalami. W przyrodzie w stanie wolnym występuje tylko węgiel. Maksymalna wartościowość wynosi IV AZOTOWCE Do 15 grupy układu okresowego, tzw. azotowców należą: azot (N), fosfor (P), arsen (As), antymon (Sb) i bizmut (Bi). W przyrodzie występują w stanie wolnym (oprócz fosforu). Azot i fosfor są typowymi niemetalami, gdyż tworzą tylko tlenki kwasowe. Arsen i antymon są pierwiastkami półmetalicznymi, natomiast bizmut jest typowym metalem i tworzy tylko tlenki zasadowe.
TLENOWCE Do 16 grupy układu okresowego tzw. grupy tlenowców należą: tlen (O), siarka (S), selen (Se), tellur (Te) oraz polon (Po). Wszystkie występują w przyrodzie w stanie wolnym i w związkach, w ilościach malejących wraz ze wzrostem masy atomowej. Są dość silnymi utleniaczami, najsilniejszym jest oczywiście tlen FLUOROWCE Wszystkie fluorowce są niemetalami. Fluor i chlor są w zwykłych warunkach żółto zielonymi gazami o charakterystycznej, ostrej woni; brom jest ciemnobrunatną lotną cieczą, a jod ciałem stałym o metalicznym połysku. Żaden z fluorowców nie występuje w stanie wolnym Astat nie występuje w przyrodzie; jest pierwiastkiem promieniotwórczym o krótkim okresie półtrwania.
HELOWCE Gazy szlachetne (helowce) leżą w 18 grupie układu okresowego pierwiastków. Należą do niej: hel (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), ksenon (Xe), oraz radon (Ra) Helowce są bezbarwnymi, bezwonnymi i biernymi chemicznie gazami. W odróżnieniu od innych pierwiastków gazowych występują w cząsteczkach jednoatomowych (ich atomy nie łączą się w cząsteczki) Numer grupy głównej informuje o maksymalnej wartościowości pierwiastków wchodzących w różne związki chemiczne. Pierwiastki tych grup najczęściej przyjmują wartościowość równą nr A lub (8 nr A) Pierwiastki zapisane w grupach, oznaczone liczbą parzystą, przyjmują w związkach wartościowość parzystą, natomiast pierwiastki znajdujące się w grupach o liczbach nieparzystych mają wartościowość nieparzystą. Istnieje jednak kilka wyjątków od tej reguły
Zn Zn 30 65,37 Symbol Zn nazwa polska cynk, nazwa łacińska zincum Liczba atomowa (porządkowa) - 30, więc jest 30 pierwiastkiem w UO Masa atomowa - 65,37( występują izotopy tego pierwiastka) Znajdujemy w tablicy i odczytujemy: Grupa IIB ( 12) pierwiastek należący do grupy pobocznej (cynkowce), wartościowość II, metal Okres- 4
Korzystając z układu okresowego omów pierwiastek o liczbie atomowej Z = 35 Z = 35, więc jest to 35 pierwiastek w UO. Atom tego pierwiastka posiada 35 protonów w jądrze. Odczytujmy z tablicy Symbol: Br Nazwa: brom (pl) bromum (łacińska) Masa atomowa: 79,9 [u] ( istnieją izotopy liczba ułamkowa) Grupa: VIIA (17), rodzina fluorowców, niemetal, ilość elektronów na ostatniej powłoce 7, wartościowość 7, 8 VII = 1 Okres: 4; ma więc 4 powłoki elektronowe